Máxima tecnología para la evaluación y control de calidad de los semiconductores en vehículos

“Más del 80% de todas las innovaciones en los coches actuales han sido posibles gracias a la microelectrónica”, explica Stefan Simon, experto en semiconductores en el departamento de Garantía de Calidad de Audi. “En total, hoy en día un vehículo incluye unos 8.000 semiconductores activos en hasta 100 unidades de control interconectadas. Cada coche tiene más poder de computación que el primer cohete enviado a la luna”. El Laboratorio de Semiconductores de Audi cumple una importante función de interfaz como punto central para el análisis y la calidad de los semiconductores, así como de la tecnología de conexión y ensamblaje. Esto se aplica tanto para el interior de la compañía como en la relación con los socios externos de la industria y del campo de la investigación. Como centro de competencia, el Laboratorio de Semiconductores se ocupa del negocio transversal y de la evaluación interdisciplinaria de los componentes y montajes, así como de los procesos de fabricación y producción. Otra tarea clave es la calificación de los empleados en todas las áreas especializadas.

En una etapa temprana del proceso de desarrollo, los expertos del Laboratorio de Semiconductores comprueban los requisitos que un chip semiconductor tiene que cumplir para su utilización en automóviles. Y estos difieren claramente de los de otras aplicaciones. Mientras que la media de vida de un teléfono móvil inteligente es de dos años, la de un coche es de alrededor de quince. Además, el uso y las tensiones a las que está sometido un vehículo no se pueden comparar con las que experimenta un smartphone. “Un semiconductor debe estar diseñado y fabricado de forma distinta, para tener en cuenta la variedad de temperaturas, de humedad y de vibraciones que suceden en un automóvil”, declara el experto en semiconductores, Oliver Senftleben.

Los componentes se pueden probar en el laboratorio para detectar los mecanismos de desgaste que pueden suceder en un coche. Realizarlo en una cámara climática es una de esas pruebas. Los análisis físicos se utilizan también para investigar cómo sucede ese envejecimiento y las cualidades de producción. Entre otras cosas, el Laboratorio de Semiconductores está equipado con una moderna máquina de rayos X y un microscopio de escaneado con electrones. Para análisis especiales de chips semiconductores, los expertos trabajan de forma muy estrecha con sus colegas del Laboratorio de Ingeniería de Materiales, por ejemplo, en la preparación de muestras usando el haz de iones concentrado (FIB), un microscopio electrónico especial de escaneado que puede emplearse para examinar las unidades de control de cara a posibles errores de serie y de proceso.

Las prioridades han cambiado drásticamente en los últimos años. Aunque los conductores continúan comparando las prestaciones de los vehículos a la vez que mantienen un ojo puesto en los aspectos de diseño, también esperan nuevas tecnologías como la de los datos del tráfico en tiempo real a través de Audi connect, así como la conexión sin problemas de sus teléfonos móviles con el vehículo y los últimos sistemas de ayuda a la conducción. Para cumplir con estos requisitos, la industria del automóvil debe recurrir cada vez más a tecnologías que marcan tendencia.

Anteriormente, los componentes sólo se consideraban adecuados para el uso en la industria automovilística después de varios años de utilización en productos electrónicos de consumo. Sin embargo, hoy en día dichos componentes aparecen rápidamente en los vehículos. Para garantizar que estos componentes electrónicos brinden el alto rendimiento deseado con los altos estándares de calidad de Audi, el Laboratorio de Semiconductores realiza tareas tales como la definición de requisitos y una evaluación tecnológica. Los estándares que son habituales en el sector del consumo (de 0 a 40 °C) se comparan con los estándares de la industria del automóvil (de -40 a 125 °C) y se verifican los requisitos de vida útil. Por ejemplo, la aplicación Audi MMI connect se puede utilizar para consultar el estado actual del vehículo, para manejar el sistema de climatización interior o para verificar el estado de carga de la batería en un Audi e-tron. Por lo tanto, el coche está constantemente conectado y en comunicación con el entorno, lo que da como resultado un tiempo de actividad significativamente mayor de componentes que pueden estar activos durante unas 30.000 horas y más en el ciclo de vida de un vehículo.

Para llegar al alto ritmo de innovación de la industria y poder reaccionar rápidamente ante los nuevos desarrollos, Audi AG colabora con socios punteros en el segmento de los semiconductores y de la industria electrónica. Junto con FZI Forschungszentrum Informatik, Globalfoundries, Hood GmbH, Infineon Technologies AG y Robert Bosch GmbH, se establecerán los fundamentos para una evaluación tecnológica estandarizada. El proyecto de investigación ‘autoSWIFT’ ha puesto el foco en conseguir componentes electrónicos innovadores y de alta calidad basados en las últimas tecnologías de fabricación, mucho más rápidas y más apropiadas de las que se empleaban antes en los vehículos. “La compañía transversal y el desarrollo interdisciplinario tiene como objetivo permitir que la idoneidad de las futuras tecnologías sea evaluada durante su fase de preparación e incorporada en los procesos de desarrollo del producto más pronto”, explica Helmut Lochner, experto del Laboratorio de Semiconductores y líder del proyecto global autoSWIFT. Esto hará que las últimas tecnologías de semiconductores estén en sintonía con los altos estándares de calidad de la industria del automóvil.

Para los nuevos Audi A8 y Audi TT RS, la marca de los cuatro aros ofrece opcionalmente los pilotos traseros con tecnología Oled. A diferencia de las fuentes de luz de un solo punto, como los Led, los Oled son las denominadas fuentes de luz de superficie. No proyectan sombras fuertes y no necesitan reflectores, guías de luz ni piezas ópticas similares. Esto hace que las unidades Oled sean eficientes y ligeras, con requisitos de espacio mínimos. La división de los Oled en pequeños segmentos controlables individualmente con una proyección tridimensional permite escenarios de iluminación completamente nuevos, que brindan a los diseñadores una libertad creativa adicional, tanto en diseño como en animación. En cada unidad Oled, dos electrodos, al menos uno de los cuales es transparente, incorporan numerosas capas extremadamente finas de materiales semiconductores orgánicos. Un bajo voltaje hace que se iluminen esas capas, que son 200 veces más finas que un cabello humano. Esto permite que los genes tradicionales de Audi den paso a una nueva tecnología. Los empleados del Laboratorio de Semiconductores formaron parte del proceso de validación en varias etapas al que fue sometida esta innovadora tecnología de iluminación antes de su entrada en la producción en serie. Este proceso comprendió desde la creación de perfiles de implementación específicos para validar la tecnología básica y el módulo Oled hasta la prueba final completa de los pilotos traseros. Toda la atención se centró en los aspectos específicos para su uso en el sector de la automoción como, por ejemplo, el desgaste debido a las influencias medioambientales y el envejecimiento pasivo. La primera vez que se usaron los Oled en el sector de la automoción fue necesaria la derivación y revisión de parámetros específicos de esta tecnología. El Laboratorio de Semiconductores de Audi, junto con el departamento de Desarrollo Técnico, llevó a cabo una evaluación tecnológica completa para cada aplicación durante la fase previa al desarrollo. Se identificaron y corrigieron los puntos débiles de la tecnología y los del proceso de fabricación. Estos requisitos específicos para la tecnología Oled se han definido para proyectos futuros y se han establecido como estándar.

Audi está impulsando la electrificación de sus sistemas de transmisión en distintos frentes, al tiempo que desarrolla conceptos de movilidad sostenible. La energía eléctrica está en el corazón de cada vehículo electrificado. Su núcleo está formado por el módulo inversor de corriente: desde el punto de vista tecnológico, este es uno de los componentes más exigentes. Este módulo convierte la corriente continua de la batería de alto voltaje en corriente alterna trifásica para alimentar al motor eléctrico. Los semiconductores de alto rendimiento que hay dentro del inversor de corriente tienen un área superficial de alrededor de 1 cm². Cada uno de ellos debe conmutar una corriente de más de 100 A a una frecuencia de 10 kHz. A pesar de la eficiente refrigeración, las pérdidas de potencia en el chip conducen a un rápido desgaste de las conexiones de contacto eléctrico. Empezando con el Audi Q5 hybrid quattro (2011), después con el Audi Q7 e-tron quattro y ahora con el nuevo Audi e-tron completamente eléctrico (2018), los empleados del Laboratorio de Semiconductores han respaldado y garantizado la progresión del desarrollo tecnológico de la energía eléctrica. En su trabajo se incluye la evaluación de las conexiones tecnológicas entre los chips individuales y los disipadores de calor y, posteriormente, asegurar las conexiones térmicas necesarias. Para ello se centraron, sobre todo, en las especificidades del proceso del que forman parte todas las tecnologías individuales. Entre ellas, la soldadura, la unión de cables y las tecnologías de montaje y conexión. Los resultados fueron de vital importancia para la creación de una norma, que se convirtió parcialmente en un estándar industrial alemán en 2017.

Para permitir un pronóstico de vida útil fiable de cada conexión individual durante la producción, Audi se ha unido a socios de la industria y del campo de la investigación en el proyecto conjunto RoBE (Robustness for Bonds in E-Vehicles o Robustez para las Conexiones en los Vehículos Eléctricos). El objetivo es al menos duplicar la vida de las conexiones respecto a la típica de la electrónica de consumo. El proyecto, que también incluye a los institutos de investigación Fraunhofer IZM y Fraunhofer ILT, se esfuerza por una comprensión más profunda de las variables y de la mecatrónica de la tecnología de conexiones. Se están desarrollando técnicas de producción alternativas, como la soldadura por rayo láser, y se investiga en nuevos materiales de conexión para superar los límites del proceso actual.

El nuevo Audi A8 es el primer automóvil de producción en serie del mundo diseñado para una conducción autónoma de Nivel 3, de acuerdo con los estándares internacionales. Para ello, además de los sensores de radar, de una cámara frontal y de los sensores ultrasónicos, Audi es el primer fabricante de automóviles que también utiliza un escáner láser. El escáner amplía el campo de visión del radar de largo alcance desde un ángulo de 35º grados hasta otro más amplio, de 145º. Gracias a ello, en el futuro el vehículo podrá identificar a otros usuarios de la carretera e interpretar su comportamiento (por ejemplo, los movimientos dentro y fuera del carril) con mucha más anticipación. “Se puede pensar en el escáner láser como un haz de luz que escanea el entorno del automóvil en fracciones de segundo”, comenta Robert Kraus, experto en tecnologías de producción del Laboratorio de Semiconductores. Un espejo que gira rápidamente dentro de su compacta carcasa dirige el potente haz del diodo láser a lo largo del área que se va a escanear. El nuevo escáner láser no sólo detecta obstáculos, sino que también puede determinar la distancia exacta a ellos. Lo hace midiendo el tiempo transcurrido entre la emisión de un impulso láser y su detección en el fotodiodo.

Los empleados del Laboratorio de Semiconductores se han estado preparando, desde 2014, para el que el primer uso del escáner láser en el nuevo A8 fuera un éxito. En colaboración con el departamento de Desarrollo Técnico, definieron especificaciones y requisitos integrales de la pieza y sus componentes individuales. Antes de ser utilizado por primera vez en la rama automovilística, y después de haberse usado en electrónica de consumo, el diodo láser fue sometido a numerosas pruebas de fiabilidad y a análisis detallados como parte de complejos ensayos de laboratorio. Sobre la base de estos resultados, se realizaron optimizaciones en el proceso de fabricación de diodos para cumplir con los requisitos de calidad necesarios.